碳中和导向下装配式建筑设计关键策略研究_李海铭.pdf

04城市建筑 Urbanism and Architecture/2023.04近平总书记强调，要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，如期实现 2030 年前碳达峰、2060 年前碳中和的目标 1。碳中和的核心是 CO2的零排放，即在规定时期内 CO2排放量通过人为方式进行抵消，达到 CO2的零排放2。装配式建筑作为建筑行业新兴的技术方法，是我国建筑产业化的核心内容，其优势主要为建筑构件工厂化加工制作、减少施工现场作业量、提高建筑工程生产效率、保证建筑构件质量、降低施工现场环境污染，是完成建筑产业转型、建筑施工技术升级的核心方法。“十四五”规划开局以来，国家相继颁布了相关政策，引领装配式建筑行业发展。装配式建筑发展目标是实现提质增效，对于装配式建筑设计而言，将设计理念与绿色建筑有机融合是实现碳中和目标的有效方法1。为了研究在碳中和背景下装配式建筑设计的关键策略3，从装配式建筑设计影响因素出发，分析装配式建筑的特点，得到碳中和导向下装配式建筑设计策略，为装配式建筑的发展奠定基础。2 装配式建筑设计特点近年来，我国建筑行业发展稳步向前。装配式建筑的应用得到了很好的发展，一般由装配式建筑构件加工厂生产，直接运达施工现场，装配式建筑具有加工排放小、施工简单、绿色环保等优势4。但是装配式建筑在我国建筑施工过程中并没有广泛应用，主要因为在装配式建筑设计与施工阶段存在以下难题5：建设资金高；设计与施工不相融；尺寸限制严重，抗震性较差；运输困难，类似于摆俄罗斯方块和搭积木。新兴事物的产生必然会带来新的问题、新的影响。装配式建筑的优点主要是生产构件的质量好，对环境损害小，但是装配式建筑建设资金高。以前传统的建筑施工总是会受到天气的影响，而装配式建筑设计受天气的影响较小，摘要近年来，气候变化问题日益严峻，碳中和已经成为我国环境保护的重要目标。在碳中和导向下，装配式建筑具有生产排放小、加工简单、施工方便等优点，是实现碳中和目标的重要技术方法。本文通过对装配式建筑设计应用进行分析，得出装配式建筑设计存在建设资金大、运输不便、尺寸受限问题。为了在碳中和导向下实现装配式建筑的使用最大化，基于碳中和的装配式建筑设计关键要素，对建筑设计全生命周期控制、BIM 技术协同应用、绿色建筑设计中材料循环利用三个要素进行分析，达到装配式建筑设计的碳中和目标。关键词 碳中和；装配式建筑；关键策略中图分类号TU209文献标识码ADOI10.19892/ki.csjz.2023.04.02Abstract In recent years,the problem of climate change has become increasingly severe,and carbon neutrality has become an important goal for our countrys environmental protection.Under the guidance of carbon neutrality,prefabricated buildings have the advantages of low production emissions,simple processing,and convenient construction,which are important technical methods to achieve the goal of carbon neutrality.This paper analyzes the application of prefabricated building design,and finds that the prefabricated building design has the problems of large construction funds,inconvenient transportation and limited size,and so on.In order to maximize the use of prefabricated buildings under the guidance of carbon neutrality,the key elements for the design of prefabricated buildings based on carbon neutrality are proposed.Then the paper analyzes from three aspects of full life cycle control of building design,collaborative application of BIM technology,and material recycling in green building design,so as to achieve the goal of carbon neutrality in the design of the prefabricated buildings.Key words carbon neutrality;prefabricated buildings;key strategies1 引言随着气候不断变化，解决我国环境问题刻不容缓。2021 年 3 月 15 日，在中央财经委员会第九次会议上，习作者简介：李海铭（1986-），女，讲师。研究方向：建筑设计及理论。作者单位：甘肃建筑职业技术学院 碳中和导向下装配式建筑设计关键策略研究Research on Key Strategies for the Design of Prefabricated Buildings under the Guidance of Carbon Neutrality李海铭Li Haiming052023.04/Low Carbon Architectural Design 低碳建筑设计并且生产的质量是非常可靠的。装配式建筑能够减少施工中所产生的废弃物，同时可以减少一些原材料的消耗，这有利于资源保护，也符合装配式建筑政策。装配式建筑大大减少了劳动力，所有的一切都是采用机械化建设，使人才的利用合理化。装配式建筑的缺点主要体现在建设资金投入大、运输困难、费用高和尺寸限制严格等方面，装配式建筑使用范围较小且建筑结构自身抗震性较差。现在，装配式建筑虽受到很多国家的大力推广，但是到目前为止，应用的领域还非常有限。当今建筑行业依然采用的是传统的建筑方式。装配式建筑只有不断改变、创新才能提高在社会上的应用率。装配式建筑在设计时难题主要集中于设计和施工，让设计和施工融为一体在现实中是很难的，虽然有设计负责人和施工负责人进行紧密的联系，但往往无法做到实际的了解与跟踪。这都是装配式建筑设计应该注意的问题，应该从这些方面深入发展。装配式建筑设计在建筑设计前期方案中不可单纯地强调节约成本，而应该从综合的方向考虑，更加注重科学技术的合理性与先进性。3 基于碳中和的装配式建筑设计关键策略以甘肃某学校实训楼为例，对实训楼土建结构进行 Revit建模，通过对所建模型的专业、材料属性、工程管理等方面进行分析，提出了基于碳中和的装配式建筑设计策略。3.1 建筑设计全生命周期控制建筑设计全生命周期碳排放控制是碳中和目标达成最有效的方法，对于实训楼的建筑设计全生命周期控制如图 1 所示，将实训楼的全生命周期分为 6 个阶段。其中规划和设计阶段至施工阶段为前期阶段，在该阶段建筑由于设计与施工并行，排放出大量的 CO2，称为排碳阶段。前期阶段采用传统的施工方法，使用现浇混凝土施工，会放出大量的 CO2，严重影响环境，不符合绿色建筑的理念，可在前期阶段选用装配式建筑。装配式建筑构件工厂化生产加工，减少了施工现场的 CO2排放，并且降低了施工噪声，对环境危害小。但从工程造价方面分析，前期阶段采用装配式建筑资金投入量大，并且运输成本高，建筑质量难以保证。从交付和试运营阶段到处置阶段为后期阶段，该阶段与前期阶段相比，碳排放较少，可以在该阶段完成对整个建筑的碳中和，称为吸碳阶段，该阶段通过建筑的整体设计可以将排碳阶段的 CO2进行中和。在建筑的运维阶段可采用环保建材，以及增加小区绿化的方法进行碳弥补。后期阶段可以对前期的碳排放进行有效补偿，在建筑全生命周期内达到碳中和的目标。对于前期阶段采用装配式建筑，后期阶段运维成本较高，需要对建筑进行二次维护，但是在处置阶段时，装配式建筑可进行板块状拆除，并将拆除后的装配式建筑构件材料循环使用，控制碳排放，进行碳循环，有效达成碳中和目标。3.2BIM 技术协同应用建筑工程的碳排放主要存在于两部分，一部分是生产必须碳排放，另一部分是多余碳排放。所以控制碳排放可以两手进行，在减少必须碳排放的同时，控制多余碳排放。多余碳排放的控制必须融入到建筑建设的全阶段。利用 BIM 技术对实训楼进行协同应用可以有效控制多余碳排放，BIM 技术可以协同应用于建筑工程设计的全生命周期。对于装配式建筑结构而言，BIM 技术具有可视性、协调性、模拟性及优化性。3.2.1 施工进度控制为了实现对实训楼的装配式施工进度控制，如图 2 所示，使用 BIM 轻量化软件将施工进度与装配式建筑模型相关联，可以对施工进度进行模拟。建筑模型能够模拟出任意工期内当天的施工量，按照进度计划进行施工，可以避免建筑工程的延期。将BIM技术与施工进度软件协同应用，可以合理控制施工进度，在施工进度模拟过程中，发现工期冲突可以及时对施工进度进行动态修改，并将修改结果上传云空间，减少施工管理顺序。在施工过程中，发现与设计不符或需进行设计变更，将设计变更单与模型相关联，更加可视化地进行施工控制。通过控制施工工程量，减少因为施工进度不合理造成的多余碳排放，从施工进度方面进行碳排放的把控，控制碳排放总量，减少工期对排放的影响，达到节能减排的目的。3.2.2 构件工程量控制为了控制实训楼建设的构件工程量，可以应用 BIM 轻量化软件对构件工程量进行控制，从装配式建筑构件生产方面减少碳排放。应用 BIM 技术可以计算出该施工阶段装配式建筑中所需构件的工程量。并且可以导入合同预算与规划和计划阶段设计阶段施工阶段交付和试运营阶段运营和维护阶段处置阶段前期阶段后期阶段排碳阶段吸碳阶段全生命周期应用图 1 实训楼设计全生命周期控制（图片来源：作者自绘）06城市建筑 Urbanism and Architecture/2023.04成本预算，时刻进行工程量控制，根据预算类型能够导出不同的构件工程量与清单工程量，更加直观地了解装配式建筑构件工程量。如图 3 所示，通过软件分析可以计算出装配式建筑任意楼层、任意构件的工程量，能够有效控制装配式构件的生产数量，避免构件加工厂产能过剩及加工多余装配式构件，从而减少碳排放。另外，采用 BIM 软件可以更加精确地计算出构件所需数量，对装配式建筑构件进行控制，减少装配式建筑构件加工厂多余碳排放。3.2.3 构件属性控制完成了实训楼装配式工程量控制后，需要对构件属性进行控制，将实训楼构件参数化，便于进行建筑的整体设计，将 BIM 技术应用到装配式建筑设计阶段，通过对构件的选取，得出构件的属性信息。若在施工过程中遇到与设计不符的构件，可查询构件信息，并且能够将设计变更单与构件相关联。对构件进行编号，在装配式建筑构件运输过程中，通过扫描构件出厂二维码得到构件具体信息，避免在运输过程中出现构件错装的问题，降低了运输失误率。通过对构件属性的控制，能够合理选择构件的类别、尺寸、材质等属性，模拟构件的位置，并且将构件信息上传至云平台。实现施工、监理、总包三方监督，降低构件损坏率，降低了因为构件损坏而产生的多余碳排放，构件属性得到了有效控制。3.3 绿色建筑设计中材料循环利用在碳中和导向下的实训楼工程方案设计阶段，具体提出以下措施。3.3.1 首选节能耗材建筑物上拆卸的废弃混凝土经过清洗、粉碎，按照既定比例关系重新配制，形成可利用再生骨料，可以用在建图 2 实训楼施工进度控制（图片来源：软件实例计算）图 3 实训楼构件工程量控制（图片来源：软件实例计算）筑工程施工中，加入无机结合料，经过搅拌振捣形成再生混凝土，代替天然骨料中的粗集料。将 528 mm 粒径的废弃砖头磨碎后作为粗骨料用于配制再生混凝土；对于颗粒直径在 5 mm 以内的骨料，作为细骨料代替砂，通过检测骨料的基本性能，可以发现废弃黏土砖骨料拥有较小密度、较高吸水率与强度等性能优势，与轻骨料指标要求完全相符。因此，建筑物的废弃黏土砖能够用于轻骨料再生。而小直径颗粒可以掺入砂浆内，从而有效降低建筑砂浆的生产成本，与此同时，还可以减少不必要的砂浆成本投入，减少废弃黏土砖在长时间堆放过程中造成的环境污染。3.3.2 优化建筑结构方案在满足土基自身地基承载力、建筑结构自身抵抗环境因素的能力和使用要求的情况下，应当将建筑自身结构模板升级，首选施工简单、材料损害小的方案。在进行建筑工程结构类型确定和设计时，必须大力应用推广新型施工技术。例如，可以采用轻质的钢结构、预制构件装配式结构，能够降低模板等多余木材的消耗，减少碳排放，保护施工环境，提高施工效率，缩减建筑工程投资额。3.3.3 采用装配式大尺寸构件装配式建筑是建筑行业未来的发展方向，同时也是达成碳中和目标的有效技术方法。装配式建筑结构与现浇混凝土建筑对比来看，装配式建筑能够有效减少建筑垃圾和扬尘污染，能够提高建筑工程建设效率和建筑工程自身质量，能够解决钢铁过剩产能的问题。依据相关资料表明，装配式建筑和传统现浇建筑对比，能够有效缩短工期 25%以上，提高材料使用率 20%以上，降低碳排放能耗 70%以上，减少建筑工程垃圾 85%以上。（下转第 91 页）912023.04/Urban and Rural Planning and Design 城乡规划设计面的优化；微观层次侧重于单个景观或建筑，以人的视角出发对建筑、绿化、地面铺装等细节进行优化7。3.2 优化区域交通属性根据实地调研以及线段模型通过量分析，街区缓冲地带当前交通现状与理想模型存在较大差异。以东关街北侧长江路为例，其选择度达到 67 620，会被优先选择，且对街区内部有着较强渗透作用。但实际道路偏窄，人行、自行车、电车、机动车混行，施工围挡与不规范停车加剧了交通状况的恶化。鞍山路与英华街交会路口、宏济街沿线等周边区域均存在类似情况。针对用地紧俏的城市空间，应采用合理紧凑、有效混合的土地利用与交通一体规划，以提升片区路网的服务水平。3.3 建立慢行系统开放式的商业布局提出了释放开放空间节点效应与营造步行游逛体验的需求。综合片区当前交通现状，在优化交通的基础上应合理建立具有连续性、增益文化与商业氛围，并迎合历史街区空间尺度的慢行系统8。结合局域选择度分析，长江路、宏济街、西岗街等路段局部区域选择度均大于 7 000，在与街区的核心区域渗透性较强的同时存在着较大通过量，适合建立慢行系统。此外街区三向均有高密度住区，适合结合街区文化与商业利用慢行系统影响居民交通方式选择。可以提升片区短途出行舒适性，增强街道活力以及商业效益，同时优化街区周边景观品质9。3.4 完善视廊体系景观视廊是城市风貌的重要组成部分。在该片区的城市建设中，高层建筑及不规范建设已对东关街历史街区风貌造成了较大改变。东关街内的历史建筑层数较低、分布均匀，沿街立面为其主要展示面；周边建筑层数较高，体量较大，差异感显著。在景观视廊构建时应以现有道路为基准，结合慢行系统以及景观，营造出在各方向上的街区区域的视线聚集性，使流量较大道路上的可见度核心聚焦于历史街区的沿街立面上。例如，针对长江路沿线与北向铁路的布局，在实际操作中可通过打开街区东侧入口空间，营造视觉“客厅”；西岗街与同庆街也可通过街道空间改造，作为联系街区内部与黄河路沿线的视觉廊道。4 结论大连东关街片区周边环境空间的设计与规划目前还不完善，历史街区的缓冲地带空间环境影响着历史街区的发展活力。空间句法整合度分析证明道路现状导致了一定范围内交通功能受限；街道空间形态较为单一，交通通过量较高，地带空间活力匮乏。在大连东关街的改造与更新中应总体把控周边各类公共服务设施与业态的布局，优化交通系统与区域文化属性，积极探寻历史街区与城市环境相融合的改造更新方法。参考文献1 张愚，王建国再论“空间句法”J建筑师，2004（03）：33-442 熊雪君城市意象与空间句法理论的相关性解读 J城市建筑，2022，19（02）：126-1303 胡文荟，王舒，赵宸场所营造与城市历史街区的微更新保护：以大连东关街为例 J中国名城，2018（01）：64-684 许承程基于共生理论的大连东关街街区更新研究 D沈阳：沈阳建筑大学，20165 段进，比尔希列尔空间句法在中国 M南京：东南大学出版社，20156 解旭东，张婧一，李卉姗基于空间句法的传统商业街区广场空间品质提升研究：以青岛中山路教堂广场为例J 青岛理工大学学报，2018，39（06）：50-55，1157 王建国城市设计 M南京：东南大学出版社，19998 郑天琦从城市记忆的角度浅析历史街区更新设计 J山西建筑，2022，48（05）：35-379 李鑫田基于空间句法的济南将军庙历史街区空间形态渗透性研究J城市建筑，2021，18（32）：66-68因此，在设计阶段初，应考虑建筑结构设计任务要求和地基条件、地基情况和其他因素，尽可能地将装配式建筑考虑进去。当整体建筑不能完全采用装配式结构时，也可考虑局部为装配式构件，在一定程度上节约材料与人力成本，减少垃圾、噪声等污染。装配式建筑构件可以在工厂批量制造，具有便于管理、生产效率较高、安全系数较高等优势。4 结论通过对装配式建筑设计应用分析，得到装配式建筑设计存在建设资金大、运输不便，以及尺寸受限问题。为了在碳中和导向下实现装配式建筑的使用最大化，本文基于碳中和的装配式建筑设计关键要素，对建筑设计全生命周期控制、BIM 技术协同应用、绿色建筑设计中材料循环利用 3 个要素进行分析，达到装配式建筑设计的碳中和目标。参考文献1 张占伟绿色建筑理念下的材料可循环利用措施研究 J三门峡职业技术学院学报，2020，19（04）：138-1412 宋晔皓，褚英男，何逸碳中和导向的装配式建筑整体设计关键要素研究 J世界建筑，2021（07）：8-13，128.3 胡建树，李福生，孙福帅，等装配式建筑设计标准体系的构建与应用研究 J中国标准化，2021（24）：152-1544 张敏，韩莹莹BIM 技术在装配式建筑施工管理中的运用探讨 J 建材发展导向，2021，19（12）：109-1115 程亚茹，郑生钦，刘金花装配式建筑发展制约因素分析 J山东建筑大学学报，2021，36（06）：54-61（上接第 06 页）